Senzor Hall BLDC: Cum funcționează, tipuri și ghid de depanare

Ce este un senzor Hall într-un motor BLDC

Scoateți capacul de pe majoritatea motoarelor de curent continuu fără perii și veți găsi trei componente minuscule grupate lângă înfășurări, fiecare abia mai mare decât un bob de orez. Aceștia sunt senzorii Hall și fără aceștia – sau un înlocuitor precum senzorul EMF invers – motorul nu are de unde să știe în ce direcție să împingă.

Un senzor Hall detectează câmpurile magnetice folosind efectul Hall: atunci când un câmp magnetic trece perpendicular pe un element purtător de curent, împinge purtătorii de sarcină într-o parte, producând o tensiune măsurabilă. Într-un motor BLDC, trei dintre acești senzori stau pe stator lângă capătul neconductor, poziționați astfel încât magneții permanenți ai rotorului să treacă pe lângă ei pe măsură ce arborele se rotește. Fiecare senzor comută în sus sau în jos, în funcție de faptul că un pol nord sau sud este în apropiere, iar combinația tuturor celor trei semnale îi spune controlerului exact unde se află rotorul în orice moment, chiar și atunci când motorul nu se mișcă.

Cum senzorii Hall conduc comutația

Un motor BLDC trifazat are nevoie de curentul său de înfășurare comutat în secvența corectă pentru a menține rotorul în rotație - un proces numit comutare. Senzorii Hall fac acest lucru posibil, oferind controlerului o citire directă a poziției rotorului, mai degrabă decât forțându-l să deducă poziția indirect.

Cu trei senzori distanțați în jurul statorului, magneții rotorului produc una dintre cele șase combinații posibile înalte/joase pe măsură ce trece printr-o revoluție electrică completă. Fiecare combinație corespunde unui sector specific de 60°, iar controlerul folosește un tabel de căutare pentru a decide care două dintre cele trei faze ar trebui alimentate pentru acel sector. Pe măsură ce rotorul avansează în sectorul următor, modelul Hall se schimbă, controlerul trece la următoarea pereche de înfășurări, iar câmpul magnetic rotativ continuă să tragă rotorul înainte - șase trepte discrete pe ciclu electric, cunoscute sub numele de comutație trapezoidală sau în șase trepte.

Acesta este și motivul pentru care senzorii Hall contează cel mai mult la oprire și la viteză mică. Un controler care se bazează pe back-EMF nu are nimic de citit până când motorul se rotește deja suficient de repede pentru a genera un semnal utilizabil; un motor echipat cu Hall își raportează poziția din momentul în care este aplicată puterea, motiv pentru care modelele cu senzori pornesc curat sub sarcină, fără ghicit în buclă deschisă.

Tipuri de senzori cu efect Hall

Nu toți senzorii Hall se comportă la fel, iar distincția contează atunci când se specifică sau se depanează un motor.

• Senzori digitali unipolari porniți când oricare dintre polele magnetice trece prin apropiere și opriți odată ce câmpul dispare. Sunt simple și ieftine, dar mai puțin frecvente în comutația BLDC, deoarece nu disting polaritatea polilor la fel de clar.
• Senzori digitali bipolari (blocare). porniți în prezența unui pol și opriți numai când sosește polul opus - menținându-și starea între ele. Acest comportament de blocare oferă tranziții curate, repetabile și este alegerea standard pentru comutația BLDC.
• Senzori analogici (liniari). emite o tensiune proporțională cu intensitatea câmpului, mai degrabă decât un simplu semnal pornit/oprit. Sunt utilizate mai rar pentru comutația de bază, dar apar în aplicațiile care necesită o rezoluție mai fină a poziției prin interpolare.

Criterii cheie de selecție

Alegerea unui senzor Hall - sau evaluarea unuia deja încorporat într-un motor - se rezumă la o mână de parametri care afectează direct acuratețea comutației și eficiența motorului.

O detaliere tehnică mai detaliată a acestor parametri, inclusiv modul în care valorile BOP și BRP sunt citite dintr-o foaie de date, este disponibilă în acest Ghid de selecție a senzorilor cu efect Hall de la Portescap .

Control BLDC cu senzori vs fără senzori

Senzorii Hall nu sunt singura modalitate de a comuta un motor BLDC, iar alternativa - control fără senzori, bazat pe EMF înapoi - schimbă un set de puncte forte cu altul.

Motoarele cu senzori oferă un cuplu de pornire fiabil sub sarcină, deoarece poziția este cunoscută chiar și la zero rpm și rezistă bine în aplicații cu porniri, opriri sau schimbări de direcție frecvente. Costul este cablarea suplimentară - de obicei un cablaj cu cinci fire - și încă o componentă care se poate defecta din cauza căldurii, vibrațiilor sau a unui conector defect. Controlul fără senzori elimină complet acel cablaj și punctul de defecțiune asociat, dar nu poate determina poziția rotorului până când motorul se rotește deja suficient de repede pentru a genera EMF invers detectabil, ceea ce înseamnă o rampă de pornire în buclă deschisă înainte ca controlul în buclă închisă să preia controlul.

Pentru motoarele care funcționează continuu la viteză moderată până la mare - ventilatoare, pompe, propulsie drone - modelele fără senzori sunt adesea alegerea mai practică. Pentru orice are nevoie de un cuplu de încredere de la o pornire în picioare - ascensoare cu acționare directă, poziționare în stil servo, motoarele butucului pentru bicicletă electrică care se îndepărtează de la o oprire pe un deal - senzorii Hall rămân cel mai sigur pariu. Acest compromis este explorat mai în profunzime în această comparație a Controlul motorului fără perii fără senzor față de efect Hall , și această prezentare generală a modul în care controlerele de motoare BLDC gestionează comutația mai larg .

Diagnosticarea defecțiunilor comune ale senzorului Hall

Un motor care zvâcnește, se blochează la pornire sau funcționează într-o singură direcție înainte de a se întrerupe prezintă simptomele clasice ale unei probleme cu senzorul Hall, mai degrabă decât o defecțiune de înfășurare.

• Semnal lipsă pe un canal: un singur senzor eșuat produce o combinație de stări invalide, pe care majoritatea controlerelor o vor semnala ca o defecțiune, mai degrabă decât să încerce să o comute incorect.
• Rotire bruscă sau sacadată la viteză mică: adesea indică un senzor nealiniat sau unul care a ieșit din poziția sa unghiulară corectă în raport cu magneții rotorului.
• Motorul se rotește în direcția greșită sau se blochează imediat: poate indica două fire Hall schimbate în timpul unei reparații sau un senzor conectat la referința de fază greșită.
• Decuplare intermitentă sub vibrații: un semn puternic al unei îmbinări de lipire crăpate sau al unui conector care funcționează slăbit, mai degrabă decât un senzor defect.

Un multimetru pe sursa de 5 V a senzorului și pinii de masă confirmă că puterea ajunge la placa senzorului; verificarea fiecărui fir de semnal față de masă în timp ce rotiți încet arborele cu mâna ar trebui să arate tranziții curate între sus și jos pe măsură ce trece fiecare pol de magnet. Un semnal care nu se schimbă niciodată sau care pâlpâie neregulat, indică acel senzor specific sau cablarea acestuia, mai degrabă decât controlerul.

Potrivirea ieșirii senzorului Hall cu controlerul motorului

Un motor echipat cu Hall este doar jumătate din ecuație - controlerul de la celălalt capăt al cablajului cu cinci fire trebuie să citească aceleași niveluri logice și să se aștepte la același aranjament al senzorilor.

Înainte de a asocia un motor și un controler, confirmați că tensiunea de alimentare Hall se potrivește cu ieșirile controlerului - logica de 5 V și 3,3 V nu este interschimbabilă fără un comutator de nivel - și că interfața senzorului de poziție a controlerului este configurată pentru intrarea Hall și nu pentru semnalele codificatorului sau resolverului. Controlerele care acceptă mai multe metode de detectare oferă flexibilitate aici; cel Controler de motor BLDC de înaltă compatibilitate seria R2 , de exemplu, funcționează atât cu motoarele cu efect Hall, cât și cu cele fără senzori, ceea ce simplifică schimbarea între tipurile de motoare fără a schimba hardware-ul. Pentru îndrumări privind potrivirea anumitor modele de controler la specificațiile motoarelor echipate Hall, aceasta referință pentru împerecherea controlerului și a motorului parcurge parametrii care trebuie aliniați. Plin Gama de controlere de motor BLDC acoperă o gamă de clase de tensiune și curent pentru motoare de diferite dimensiuni.